Электрический ток в металлах и электролитах. Законы Фарадея презентация

Тема: «Электрический ток в металлах и электролитах. Законы Фарадея»

План
Электрический ток в металлах
Электролитическая диссоциация. Электролиз
Законы Фарадея
Применение электролиза в технике

Электрические
свойства веществ
Проводники
Полупроводники
Диэлектрики
Хорошо проводят электрический ток
К ним относятся металлы, электролиты, плазма …
Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe …
Практически не проводят электрический ток
К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага …
Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As
Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:
Вещества

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах
Природа электрического тока в металлах
Электрический ток в металлических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кроме их нагревания не вызывает.
Концентрация электронов проводимости в металле очень велика: по порядку величины она равна числу атомов в единице объёма металла. Электроны в металлах находятся в непрерывном движении. Их беспорядочное движение напоминает движение молекул идеального газа. Это дало основание считать, что электроны в металлах образуют своеобразный электронный газ. Но скорость беспорядочного движения электронов металле значительно больше скорости молекул в газе (она составляет примерно 105 м/с).

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.).
В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Электрический ток в металлах

Опыт Папалекси-Мандельштама
Описание опыта :
Цель: выяснить какова проводимость металлов.
Установка: катушка на стержне со скользящими контактами, присоединены к гальванометру.
Ход эксперимента: катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра.
Вывод: проводимость металлов - электронная.
Электрический ток в металлах

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Металлы имеют кристаллическое строение . В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, совершающие тепловые колебания вблизи положения равновесия, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.
Электрическое поле сообщает им ускорение в направлении, противоположном направлению вектора напряженности поля. Поэтому в электрическом поле беспорядочно движущиеся электроны смещаются в одном направлении, т.е. движутся упорядоченно.
Электрический ток в металлах

1). Носителями тока в металлах являются электроны, движение которых подчиняется законом классической механики.
2). Поведение электронов подобно поведению молекул идеального газа (электронный газ).
3). При движении электронов в кристаллической решетке можно не учитывать столкновения электронов друг с другом.
4). При упругом столкновении электронов с ионами электроны полностью передают им накопленную в электрическом поле энергию.
Основные положения классической теории
электронной проводимости

Зависимость сопротивления проводника от температуры
При повышении температуры удельное сопротивление проводника возрастает.
Коэффициент сопротивления равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К.
Электрический ток в металлах

Сверхпроводимость — физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.
В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
повышение температуры;
действие достаточно сильного магнитного поля;
достаточно большая плотность тока в образце;
Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс.
Сверхпроводимость
Электрический ток в металлах

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К очень резко падает до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.
Температура Тк, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние , называется критической температурой перехода. Для таллия, олова и свинца она равна соответственно 2,35 К, 3,73 К и 7,19 К. Впоследствии было открыто много других сверхпроводников.
КАМЕРЛИНГ-ОННЕС
21.09.1853 – 21.02.1926
Нобелевская премия по физике,
1913 г.
Сверхпроводимость
Электрический ток в металлах

Мультиэлектрон
Мультиэлектрон (me) – это новая, ранее неизвестная, квантовая частица,которая образуется из двух и более электронов в силовом поле
атома.
Сила притяжения между электронами аналогична силе,
связывающей протоны и нейтроны в ядре атома (сила Юкавы).
Эта сила уравновешивает отталкивание между отрицательно
заряженными электронами и приводит к взаимному вращению
электронов вокруг общей оси.
Электрический ток в металлах

Движение электронов в обычном
проводнике
Электроны сталкиваются с кристаллической решеткой
и теряют свою кинетическую энергию, которая идет
на нагрев решетки. Поэтому возникает электрическое
сопротивление.
Электрический ток в металлах

Движение мультиэлектрона в
сверхпроводнике
Кинетическая энергия электронов, составляющих мультиэлектрон
переходит во вращательную энергию частицы. Поэтому мультиэлектрон
не сталкивается с кристаллической решеткой и не испытывает
сопротивления. Так возникает сверхпроводимость.
Электрический ток в металлах

Использование сверхпроводимости
Электрический ток в металлах

Электрический ток в электролитах

Электролитическая диссоциация. Электролиз

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.
Электролиты – это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток:
растворы кислот, солей, щелочей.
расплавленные металлы и соли;

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.
Электролитическая диссоциация – это распад молекул растворенного вещества (электролита) на заряженные ионы.

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.
Na
Cl
H2O

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.

Электролитическая диссоциация.
Электролиз.
Электролиз – это изменение химического состава раствора или расплава при прохождении через него электрического тока.

Майкл Фарадей (1791-1867) – английский физик, автор законов электролиза
Электролитическая диссоциация.
Электролиз.

Законы Фарадея

Законы Фарадея
Первый закон Фарадея
Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

Законы Фарадея
m = k ∙ q
q = I ∙ Δt
m = k ∙ I ∙ Δt
k – электрохимический эквивалент

Законы Фарадея
Электрохимические эквиваленты
некоторых веществ

Законы Фарадея
Второй закон Фарадея (закон электролиза)
Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален отношению молекулярной массы к его валентности.

Законы Фарадея
F - постоянная Фарадея
F = 96,5∙103 Кл/моль

Законы Фарадея
m = m0i ∙ Ni
m = k ∙ I ∙ Δt

Законы Фарадея
Заряд электрона e = 1,6∙10-19 Кл

Пример и разбор решения задач:
1.Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,3 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 7 минут?
Решение: Сила тока равна отношению заряда ко времени, в течение которого этот электрический заряд прошёл по цепи:
Подставив числовые значения, переведя время в СИ, получим q = 126 Кл.
Правильный ответ: q = 126 Кл.
2.В процессе электролиза из водного раствора хлорида железа-2 выделилось 840 мг железа. Какой заряд прошёл через электролитическую ванну?
Решение:
q = 840 · 10-6· 1,6 · 10-19 · 2 · 6,02 · 1023 / 0,056 = 2880 Кл.
Ответ: q = 2880 Кл.

Применение электролиза в технике

Применение электролиза в технике
Гальваностегия
Гальванопластика
Получение и очистка металлов

Применение электролиза в технике
1. Гальваностегия – покрытие изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т.д.)

Применение электролиза в технике
1. Гальваностегия – покрытие изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т.д.)

Применение электролиза в технике
2. Гальванопластика – электролитическое изготовление копий с рельефных предметов

Применение электролиза в технике
2. Гальванопластика – электролитическое изготовление копий с рельефных предметов
Якоби Борис Семенович (1801-1874) – изобретатель процесса гальванопластики

Применение электролиза в технике
2. Гальванопластика – электролитическое изготовление копий с рельефных предметов
Исаакиевский собор,
Санкт-Петербург

Применение электролиза в технике
2. Гальванопластика – электролитическое изготовление копий с рельефных предметов

Применение электролиза в технике
3. Получение и очистка металлов
Получение металлов обычно осуществляется электролизом расплавов с выделением получаемого металла на катоде
Очистка металлов осуществляется электролитическим растворением анода из загрязненного металла, на катоде выделяется чистый металл, а примеси выпадают в осадок

Применение электролиза в технике
3. Получение и очистка металлов

Применение электролиза в технике
3. Получение и очистка металлов